Kemiska processer och effekter av olika bindemedel 32

Reaktionsförlopp och uppbyggnad av stabiliserad jord 4.2.1

De kemiska reaktioner som uppstår när bindemedlen blandas med jorden varierar en del i förlopp och slutprodukt beroende på typen av medel (t.ex. Janz & Johansson, 2001, Åhnberg, 2005). Stora delar av härdningsprocessen är dock relativt likartad. När binde- medel blandas in i fuktig jord sker en hydratation. Vissa reaktioner som sker vid

hydratation innebär att en cementeringsprocess startar upp direkt medan andra leder till vidare reaktioner med jorden i sig och dess mineraler eller med eventuella ytterligare medel som tillsätts. Figur 4.1 visar exempel på skillnader i uppbyggnad hos olika binde- medel och tillsatsmedel med avseende på huvudbeståndsdelarna CaO, SiO2 och Al2O3,

vilka i hög grad bestämmer reaktionsförlopp och uppbyggnad hos det stabiliserade materialet. Ökningen i hållfasthet med tiden kan till stor del kopplas till mängd och typ av reaktionsprodukter som bildas efter inblandning av olika bindemedel i jorden.

När bränd kalk, som innehåller en hög andel CaO, se Figur 4.1, blandas in i lera sker en reaktion med vattnet i leran och kalciumhydroxid bildas. Används släckt kalk innehåller denna redan från början en hög halt kalciumhydroxid. En del av kalciumhydroxiden medverkar till att en modifiering av jorden sker genom jonbyte vilket innebär flocku- lering av jordpartiklarna till en grövre, torrare struktur (Andersson, 1960; Dumbleton, 1962; Eades and Grim, 1966; Saitoh m.fl., 1985; Boardman m.fl., 2001). Återstående kalciumhydroxid reagerar i sin tur med olika kisel- och aluminiumföreningar i jorden genom s.k. puzzolana reaktioner vilka sker under lång tid. Olika former av kalcium- silikataluminathydrat med varierande grad av silikat- och aluminatinnehåll bildas, vilket ger ökad hållfasthet. Vid kontakt med luft sker normalt en karbonatisering av kalcium- hydroxiden istället och hållfastheten ökar då genom att kalciumkarbonat bildas. Detta används vid t.ex. murning med kalkbruk, där det är karbonatiseringsprocessen som genererar hållfastheten hos kalkbruket.

Figur 4.1 Relativ procentandel av CaO, SiO2 and Al2O3 för material som använts i

samband med stabilisering av jord eller vid betongtillverkning. Från Åhnberg (2006).

Bränd eller släckt (hydratiserad) kalk som innehåller eller genererar en mycket hög andel kalciumhydroxid har potential att bilda en stor mängd hållfasthetsskapande reaktionsprodukter när de blandas med jord. De puzzolana reaktioner som sker mellan kalciumhydroxid och mineraler i jorden är dock normalt relativt långsamma. Använd- ning av bränd kalk ger en viss hållfasthetshöjande effekt direkt pga. av den s.k. koaguleringen, dvs. att lerpartiklarna klumpar ihop sig och beter sig lite som ett friktionsmaterial. Den avvattning som sker vid släckningen av kalken kan också ge en effekt, dock mycket mindre jämfört med koaguleringen.

Vid inblandning med cement är det framförallt en kalciumsilikathydrat, s.k. CSH-gel, som bildas vid kontakt med vattnet i jorden. Cementeringsprocessen startar relativt omgående efter hydratationen. Dessutom bildas en viss del kalciumhydroxid efter hydratation vilken, precis som vid användning av kalk, kan ge puzzolana reaktioner med silikater och aluminater i jorden och bidra till ökad hållfasthet.

Vid hydratation av cement sker reaktioner direkt med mineraler i bindemedlet i sig vilket normalt ger en betydligt snabbare cementeringsprocess än vad som sker vid puzzolana reaktioner med jorden. I Figur 4.2 visas schematiskt på skillnader i effekter med tiden efter kalk- respektive cementinblandning. Förändringen i de fysikaliska egenskaperna kan i båda fallen ske relativt omgående i många jordar (Lindh, 2000, Åhnberg, 2006).

a) Schematisk beskrivning av reaktionsprocesser. Hållfasthetshöjande effekt mot tid efter inblandning av kalk respektive cement. Efter Terashi & Kitazume, 2001.

b) Mängd bildade reaktionsprodukter vid tillsats av 10% bindemedel. Principfigur. Från Åhnberg m.fl. (1995).

Figur 4.2 Skillnader i reaktionsförlopp vid inblandning av kalk och cement i jord.

Slagg i form av mald granulerad masugnslagg är ett latent hydraulisk cement, dvs. den reagerar med vatten på liknande sätt som cement och ger ungefär samma typ av

reaktionsprodukter. Det har ansetts att slagg normalt behöver någon form av alkalisk aktivator för att starta reaktionsprocessen (Taylor, 1997). Slagg som bindemedel används därför oftast i kombination med cement eller bränd/släckt kalk. Studier av Merit 5000 som stabiliseringsmedel har dock visat att denna slagg kan härda också utan någon tillsatt alkalisk aktivator, men att hållfasthetstillväxten då är långsam (Lindh, 2004; 2010).

Mald granulerad masugnslagg har en lägre halt kalciumoxid i förhållande till halt kisel- dioxid jämfört med cement, jmf Figur 4.1, vilket normalt ger ett något långsammare reaktionsförlopp (Taylor, 1997). Slagg ger oftast ett något tätare material och en något högre hållfasthet på lång sikt jämfört med cement. Slagg används ofta i kombination med framförallt cement för stabilisering av organiska jordar eller förorenade jordar. Flygaska används ibland vid stabilisering av jord. Det är ett puzzolanskt material, med normalt låg reaktivitet, som innehåller silikater och aluminater, se Figur 4.1. Dessa kan reagera med kalciumhydroxid som tillsätts via andra bindemedel eller som genererats genom hydratation i de fall mer kalkrik flygaska används.

Reaktionsvärme 4.2.2

De olika kemiska reaktioner som äger rum vid hydratation genererar värme. En ökad temperatur under härdning påskyndar reaktionsförloppet och hållfasthetstillväxten med tiden. Stabilisering med bränd kalk ger den största värmemängden. Släckt kalk genere- rar en betydligt mindre mängd värme vilket medför att puzzolanreaktionerna normalt går långsammare. Stabilisering av jord med cement ger normalt mindre än hälften av värmen från motsvarande mängd bränd kalk (t.ex. Åhnberg m.fl., 1989). Kombina- tionen cement-slagg ger ungefär samma värmemängd som den för ren cement (Pihl & Kuusipuro, 2004). Vid ytstabilisering blir dock avkylningen normalt ganska omfattande och vinsten av de exoterma effekterna kan bedömas som regel vara relativt begränsad. Vald årstid för terrasstabilisering kan dock ha betydelse eftersom kall väderlek vintertid kan ge väsentlig fördröjning i hållfasthetstillväxt om inte ett skyddande/isolerande lager läggs på, se vidare kap 7. Utförande. Enligt franska erfarenheter kan härdningsprocessen komma att stanna upp helt vid temperaturer under 5C, för att komma igång igen när temperaturen åter stiger (LCPC, 2004).